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JPH02143810A - 熱可塑性樹脂と補強繊維との複合板 - Google Patents

熱可塑性樹脂と補強繊維との複合板

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Publication number
JPH02143810A
JPH02143810A JP63296996A JP29699688A JPH02143810A JP H02143810 A JPH02143810 A JP H02143810A JP 63296996 A JP63296996 A JP 63296996A JP 29699688 A JP29699688 A JP 29699688A JP H02143810 A JPH02143810 A JP H02143810A
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JP
Japan
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reinforcing fibers
length
frtp
thermoplastic resin
board
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JP63296996A
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Yukitane Kimoto
幸胤 木本
Kozo Murata
村田 耕三
Toshio Muraki
村木 俊夫
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Priority to EP89312180A priority patent/EP0376472B1/en
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、スタンピング成形法やプレスフロー成形法
によって、いろいろな、熱可塑性樹脂と補強繊維との複
合材料[以下、FRTP(FiberReinforc
ed Thermoplastics )という]から
なる製品(以下、FRTP製品という)を成形するのに
適した、熱可塑性樹脂と補強iH1とを複合してなる板
(以下、FRTP板という)に関する。
[従来の技術] FRTP板は、よく知られている。そして、FRTP板
には、比較的長い補強繊維を使用したものと、比較的短
い補強繊維を使用したものとがある。前者の代表的なも
のは、補強繊維を一方向に引き揃えて使用したものや、
織物やスワールマットの形態で使用したものであり、後
者の代表的なものは、補強繊維をチョツプドストランド
マツl〜の形態で使用したものである。それぞれ特長を
右するが、近年、FRTPの機械部品等の検討が広く行
われるようになってきたこともあり、より高い力学的特
性を発現し得る前者が注目されている。
さて、前者の、比較的長い補強繊維を使用したFRTP
板は、たとえば、特公昭63−37694号公報や特開
昭60−36136号公報に記載されている。これらは
、熱可塑性樹脂と、一方向に互いに並行かつシート状に
引き揃えた補強繊維とを複合してなるものである。これ
らのFRTP板は、補強繊維が一方向を向いているから
、力学的特性に方向性をもたせたい場合には大変都合が
よい。しかしながら、逆に、力学的特性に疑似等方性を
与えたいような場合には、複数枚をその補強繊維の方向
が少しづつずれるように積層する必要があり、このとき
、積層構成を注意深く選定しないと、異方性が大きくな
ってしまうという問題がある。
また、補強繊維を織物の形態で使用した・bのや、スワ
ールマットの形態で使用したものは、たとえば、上)ホ
した特公昭6137694号公)・Iヤ1特公昭4B−
8468号公報、特公昭48−9958号公報に記載さ
れている。そして、補強繊維がこれらの形態をとる−し
のは、一方向に引き1前えられた形態をとるものにくら
べて異方性が小さい。
しかしながら、織物は経糸と緯糸とが互いに交釦してい
て組織の安定性が高いことから、賦型性が悪く、平板の
ような単$I!4な形状をもつFRTP製品はよいが、
曲面や角を多くもつような復路な形状のFRTP製品の
成形には適さない。スワールマットを使用したものも、
織物を使用したものよりも異方性が小さいものの、やは
り賦型性が悪く、補強繊維の、成形時における流動性が
不足するので、補強繊維の分イ[を−様にするのが難し
いという問題がある。
一方、比較的短い補強繊維を使用した、補強繊維がチョ
ツプドストランドマットの形態をとるものは、上述した
いずれのものよりも賦型性に侵れ、復vj、な形状のF
RTP製品でも比較的容易に成形できるものの、補強繊
維が短く、しかも、補強繊維の体積含有率を高くするの
が難しいために補強効果を大きくできず、得られるFR
TP製品は力学的特性が劣るという問題がある。
かかる問題を解決しようとして、たとえば特公昭59−
62112号公報は、補強繊維に必らかじめ熱可塑性樹
脂を付着または含浸せしめた後、所望の長さに切断し、
これを所望の形態に配列して加熱、加圧し、熱可塑性樹
脂の含浸性を向上さけて補強繊維の体積含有率を高くす
ることを提案している。このようにすると、)qられる
F RT P製品の力学的特性は(イfかにいくらか向
上する。しかしながら、向−トの程度は、とてし満足で
きるほどではない。
また、比較的短い補強繊維を使用したものに共通した問
題は、耐衝撃性が劣るということである。
[発明が解決しようとする課題1 この発明の目的は、従来のFRTP板の上)ホした問題
点を解決し、比較的長い補強繊維を使用したものの長所
と比較的短い補強繊維を使用したものの長所とを兼ね瀬
え、力学的特性に優れた「RTP製品を容易に製造する
ことができるF RT P板を提供するにある。
[課題を解決するための手段] 上述した目的を達成するために、この発明にa3いては
、溶融粘度が1000〜15000ボイズで必る熱可塑
性樹脂と、二次元平面内において無作為な方向に配置さ
れた、一方向に引き揃えられた補強繊維からなる短冊状
片とを複合してなる仮であって、上記短冊状片は、 (a)  厚みが0.211m以下テアリ、(b)  
補強繊維の方向に対して直交づる方向にお【プる長ざが
2〜25mmであり、(c)  補強繊維の方向におけ
る艮ざが5〜30mmであり、 (d)  (補強繊維の方向に対して直交する方向にお
【プる長さ/補強繊維の方向における長さ)が0.15
〜1.5であり、 かつ、面内において疑似等方性であることを特徴とする
、熱可塑性樹脂と補強繊維との複合板が(;?供される
この発明において疑似等方性とは、FRTP板の面内に
おいて、少なくとも互いに直交する2方向と、その方向
に対して45°の角度をなす方向とをみたとき、それら
各方向における力学的特性が±10%の範囲内にあるこ
とをいう。
また、この発明のFRTP板は、厚みが0.5〜20m
m程度のもので、一般にシートと呼ばれる、比較的薄い
ものも含まれる。
この発明のFRTU:i板は、溶融粘度が1000〜1
5000ボイズである熱可塑性樹脂と、二次元平面内に
おいて無作為な方向に配置された、−方向に引き揃えら
れた補強繊維からなる短冊状片とを複合してなる。
溶融粘度が1000〜15000ポイズである熱可塑性
樹脂としては、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン1
1、ナイロン610、ナイロン612等のポリアミド、
または、これらポリアミドの共重合ポリアミドを使用す
ることができる。また、ポリエチレンテレフタレート、
ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、または
、これらポリエステルの共重合ポリエステルを使用する
ことができる。ざらに、ポリカーボネート、ポリアミド
イミド、ポリフェニレンスルファイト、ポリフェニレン
オキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリ
エーテルエーテルケトン、ポリオレフィン等を使用する
ことができる。さらにまた、ポリウレタンエラストマー
、ポリエステルエラストマー、ポリアミドエラストマー
等に代表される熱可塑性エラストマーを使用することが
できる。なお、これらの熱可塑性樹脂の溶融粘度は、キ
ャピラリー型の粘度計等を使用し、剪断速度がQ Se
C’ないしその近辺において測定する。
一方、補強繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミ
ドim、アルミナ繊維、アルミナ−シリカ繊維、シリコ
ンカーバイド繊維等の高強度、高弾性率繊維である。F
RTP板中におけるこれら補強1!雑の含有率は、20
−60体積%、好ましくは30〜50体積%である。
さて、この発明のFRTP板は、上述した熱可塑性樹脂
を含浸した、一方向に引き揃えられた補強繊維からなる
短冊状片を、二次元平面内において無作為な方向を向く
ように配置し、加熱、加圧して短11H状片同士を熱融
着することによって製造する。そして、この発明の上述
した目的を達成するためには、熱可塑性樹脂の溶融粘度
と、短冊状片の、補強繊維の方向における長さ(以下、
長さという)および補強繊維の方向に対して直交する方
向における長さ(以下、幅という)とが大変重要な意味
をもつことになる。
すなわら、この発明のFRTP板は、短冊状片を二次元
平面内において無作為な方向に配置するため、短冊状片
同士の重なり合いが必ずでてくるが、この重なり合い部
分に、微細な隙間が存在していたり、引き揃えられた補
強繊維に熱可塑性樹脂が一様に含浸されないで樹脂リッ
チな部分ができていたりすると、外力を受岬プたときに
それらの部分に応力が集中することになり、そこからF
RTP板の破壊が進行することになる。これを防止する
ためには、熱可塑性樹脂の溶融粘度が極めて重要になる
。すなわら、熱可塑性樹脂の溶融粘度が1000ボイス
よりも低いと、短冊状片の製造時において、補強繊維に
対する熱可塑性樹脂の含浸性は良好になるものの、熱可
塑1牛樹脂がはみ出しやすくなり、また、補強1!li
Mの引き揃え状態が乱れやすくなる。一方、溶融粘度が
15000ボイスよりも高いと、こんどは熱可塑性樹脂
の含浸性が悪くなる。また、たとえ熱可塑性樹脂の含浸
性に問題がなくても、短冊状片の形態保持性が大きくな
るために、FRTP板としたときに短冊状片間に隙間が
残りやすくなる。
このように、熱可塑性樹脂の溶融粘度は、FRTP板を
、短冊状片同士の重なり合い部分において隙間がないも
のとし、また、樹脂リッチな部分がないものとするため
に重要な意味をもっている。
また、溶融粘度が上述した範囲にあると、FRTP板を
加熱、加圧成形してFRTP製品とするときに、短11
fl状片や補強繊維の動きが適度に起こり、賦型性が向
上し、また、補強繊維の分布をより一様にできるように
なる。
次に、短冊状片の厚みについてであるが、FRTP板に
外力が作用して破壊する過程を子細に観察してみると、
本来、補強繊維に沿って一様に分布すべき応力が、短冊
状片同士の重なり合い部分に集中し、その部分が破壊の
開始点になりやすいことがわかる。重なり合い部分では
、補強繊維が屈曲しているからである。これを防止する
ためには、短冊状片を薄くし、それらの重なり合い部分
における補強繊維の屈曲を小さくしなければならない。
この点、厚みが0.2mm以下であれば、問題はほとん
どない。
次に、短冊状片の幅とFRTP板との力学的特性の関係
についてであるが、短冊状片の幅は、FRTP板の耐衝
撃性に大きな影響を与える。すなわち、短冊状片の幅が
広いほうが、シャルピーおるいはアイゾツト衝撃値が高
くなる。これは、それぞれのyriIIIJ状片は、補
強繊維が一方向に引き揃えられているFRTPの板とみ
れるが、そのような板は、曲げ、座屈、剪断等に関して
商い変形抵抗をもつので、幅が広いはうが衝撃に対して
有利なのである。
一方、FRTP板に外力が作用したときの破壊の様相を
みると、各補強繊維の末端に応力集中が起こるため、初
期の破壊は短冊状片の末端において生ずることになる。
そのため、短冊状片の長さに対して幅が広過ぎると高い
特性が)9られなくなる。また、FRTP板の面内疑似
等方性が悪くなるという問題もめる。したがって、短冊
状片の長さと幅との間には選定しなければならない範囲
が存在し、後述する実施例にも示すように、短冊状片の
幅を2〜25mmとし、かつ、(幅/長さ)を0.15
〜1.5の範囲にするときに最もよい結果が得られる。
短冊状片の幅が2mmよりも狭いと、上述した板の作用
を発現しにくくなって耐衝撃性が悪くなり、一方、25
 mrrJ:りも広いと、末端における影響が大きくな
ってやはり耐衝撃性が低下するようになる。もつとも、
短冊状片の末端における影響はその艮ざに関係し、(幅
/長さ)が0゜15より小さい、すなわち、より細長い
短冊状片の場合には、末端の影響は少ないものの、上述
した理由で耐衝撃性が大きく低下するようになり、逆に
、1.5よりも大きいと、末端の影響が大ぎくなって特
性に優れたFRTP板が1qられなくなる。
ところで、この発明のようなFRTP板の剛性と、それ
に使用する補強繊維の長さとの関係は、修正ハルピンー
ツフイの式[J、C,11alpin、 J、 ofC
omposite )laterials、 Vol、
3. p732(1969)]によって求めることがで
きるか、これによると、剛斗を高めるためには、補強繊
維が長ければ長いはどよいが、一定長以上になると寄与
度が小ざくなってくる。しかしながら、プレスフロー成
形等の方法で熱賦型する場合には、補強繊維が短いほど
流動性はよく、より複雑な形状のFRTP製品でも容易
に1qられるようになる。かかる観点から、実用性に優
れるFRTP板とするためには、補強繊維の長さ、ひい
ては短冊状片の艮ざを5〜30mmの範囲で選定する必
要がある。5mmよりも短いと、剛性の低下が著しくな
る。また、高い曲げ特性を得るためには、短い艮ざに対
応して短冊状片の幅を狭くする必要があるが、そうする
と耐衝撃性が大きく低下してしまうことになる。一方、
30mmよりも長いと、剛性は向上するものの、上述し
た面内疑似等方性が得にくくなり、また、補強繊維の流
動性が低下するのでその分布を一様にするのが難しくな
ってくる。
短冊状片は、熱可塑性樹脂を含浸したものとして製造す
ることができ、補強1lli維束に熱可塑性樹脂を押し
出し被覆した後、その被覆繊維束を熱可塑性樹脂の融点
以上に加熱した一対のロール間に通し、加圧して補強繊
維未への熱可塑11樹脂の含浸と偏平化とを行い、さら
に所定の長さに切断する方法や、熱可塑性樹脂を含浸し
た補強繊維束を熱可塑性樹脂の融点以上に加熱したバー
に接触させ、補強繊維束を拡開して偏平化し、ざらに所
定の長さに切断ずろ方法等を採用することができる。
また、そのような短冊状片を用いたFRTP板の成形は
、型内に、熱可塑性樹脂を含浸した短冊状片を、二次元
平面内において無作為な方向を向くように散イhし、型
を閉じて加熱、加圧することによればよい。圧縮成形で
ある。
別の方法として、熱可塑性樹脂を含まない補強繊維束を
所定の幅に拡開し、かつ、切断して分散せしめたものに
熱可塑性樹脂の粉末を敗イ「するか、熱可塑性樹脂のフ
ィルムで挾み、熱可塑性樹脂の融点以上の温度で加熱、
加圧する方法によることもできる。
[実施例1 実施例1 日本電気硝子社製ガラス繊維束ER550の周りに、東
し社製ナイロン6パアミラン′″CMIO10(250
’(j、Jtt6溶n!粘1ff : 3000 ;t
cイズ)を温度260℃で押し出し、ガラス繊維の含有
率が40体積%であるナイロン6被覆ガラス繊維束を1
qだ。
次に、上記ナイロン6被覆ガラス繊紺束を、遠赤外線ヒ
ータを用いて260℃に予熱した俊、260°Cに設定
した一対のロールで押圧してテープにした。このテープ
の幅は5mm″Cあり、厚みは0゜091℃1mテアツ
タ。
次に、上記テープを切断して、長さが3mm、5mm、
13mm、 25mm、40111111Fある、5種
類の、ナイロン6が含浸された短冊状片を得た。
次に、上記各短冊状片について、それを金型中に散布し
た後、260℃で圧縮成形し、厚みが3mmの、5種類
のFRTP板を得た。
次に、上記各FRTP板から、JISに1055にした
がって試験片を切り出し、曲げ試験を行った。
試験結果を第1表に示す。
第1表から、曲げ特性に関する限りは、短冊状片の長さ
、すなわち、ガラスlt’#の長さが短いものほどよく
ないことがわかる。
実施例2 実施例1で得た各FRTP板について、それを遠赤外線
ヒータで280℃に加熱した後2枚重ねて180℃の金
型に仕込み、100kMcm2の圧力を加えて成形した
。金型は、厚みが4mmの平板の中央部に、高さおよび
直径がともに10mmの円柱状突起を有するものを使用
した。
次に、成形品から突起部を切り取り、ガスバーナーでナ
イロン6を焼き飛ばし、残ったガラス繊維の量を測定し
てその含有率を求めた。測定結果を第2表に示す。第2
表から、短冊状片の長さ、すなわちガラス繊維の長さが
、この発明が規定する範囲を越えている臘5のものは、
突起部にガラス繊維が十分流動していないことがわかる
実施例3 東し社製炭素域維“°トレカ゛’ Ta2O−6にの周
りに、250℃における溶融粘度が500ポイズ、30
00ボイズ、12000ボイズ、17000ボイズであ
るナイロン6をそれぞれ押し出し、ナイロン6被覆炭素
繊維束を得た。
次に、上記各ナイロン6被覆炭素繊維束について、それ
を遠赤外線ヒータで260’Cに予熱した後、260℃
に設定した一対のロールで押圧し、テープを得た。炭素
繊維の○6率は、いずれのテープも30体積%であった
。また、溶融粘度が3000ボイズおよび12000ポ
イズのナイロン6を使用したテープは、幅が5mm、厚
みが0.13mmであった。溶融粘度が500ボイスの
ナイロン6を使用したテープは、ナイロン6が炭素[を
束からはみ出している部分があり、テープの幅が不揃い
であった。一方、溶融粘度が17000ポイズのナイロ
ン6を使用したテープは、炭素W&維束への樹脂の含浸
が一様でなく、テープ中にボイドが散見された。
次に、上記各テープについて、それを長さ13mmに切
断し、実施例1と同様にしてFRTP板を作り、曲げ試
験を行った。試験結果を第3表に示す。
第3表から、溶融粘度が500ポイズとこの発明が規定
する範囲の下限を下回っているN、1のものや、逆に1
7000ポイズとこの発明が規定する範囲の上限を上回
っている陶4のものは、この発明が規定する範囲を満足
している臘2ヤ3のものにくらべて、曲げ強度が低いこ
とがわがる。
実施例4 東し社製炭素m維”トL7J” Ta2O−12Kを2
本使用し、実施例1と同様にして、厚みが0゜Q9mm
で、幅が24mmのテープを得た。
次に、上記テープから、幅が2m転6mm、12mmで
ある3種類の別のテープを切り出し、それら各テープを
切断し、ざらに実施例1と同様にしてFRTP板を作り
、月Sに6911にしたがってノツチなしアイゾツト衝
撃試験を行なった。測定結果を第4表に示す。
第4表から、短冊状片の(幅/長さ)がこの発明が規定
する範囲の下限を下回っているN、lLlのものや、逆
にこの発明が規定する範囲の上限を上回っているN、6
のものは、この発明が規定する範囲を満足しているN、
2〜5のものにくらべてm417撃性が低いことがわか
る。
実施例5 東し社製炭素繊維“トレカ”Ta2O−12Kを、実施
例1と同様にして、炭素繊維の含有率が40体積%にな
るようにナイロン6で被覆した。
次いで、このナイロン6被覆炭素繊維束を遠赤外線ヒー
タで260℃に予熱したのち、260’Cに設定した一
対のロールで押圧し、幅が12mmで、厚みが0.09
mmのテープを得た。また、上記ナイロン6被冒炭素繊
維束を3本束ねて同様に遠赤外線ヒータで予熱し、26
0℃に設定した一対の溝付ロールで加圧して、幅が12
mm、厚みが0゜27mmのテープを)qだ。
次に、上記各テープについて、それを長さ25mmに切
断し、金型中に散布して260’Cで圧縮成形し、厚み
が3mmのFRTP板を19だ。
次に、各FRTP板について、実施例1と同様に曲げ試
験を行い、第5表に示ず結果を得た。
第5表から、短冊状片の厚みがこの発明が規定する範囲
を上回っているN、2のものは、この発明が規定する範
囲を満足しているN、1のものにくらべて、曲げ強度、
曲げ弾性率ともに劣ることがわかる。
実施例6 日東紡硝子繊維社製ガラス繊維R357PR45233
の周りに、東し社製ポリブチレンテレフタレートPBT
1100 (250’Cにおりる溶融粘度:4000ポ
イズ)を温度270’Cで押し出し、ガラス繊維の含有
率が40体積%であるポリブチレンテレフタレート被覆
ガラス繊維束を得た。
次に、上記ポリブチレンテレフタレート被覆繊維束を遠
赤外線ヒータを用いて約270℃に予熱したのち、27
0℃に設定した一対のロールで押圧し、幅が5mmで、
厚みが0.Q9m1nのテープを得た。
次に、上記テープを長さ25mmに切断し、実施例1と
同様にして厚みが3mmのF RT P板を1ワだ。
次に、上記FRTP板から、JISに7055、JIS
に6911にしたがって試験片を切り出し、曲げ試験お
よびノツチなしアイゾツト衝撃試験を行なったところ、
曲げ強度は37 kgf/mm2 、曲げ弾性率は13
10kgf/mm2 、アイゾツト衝撃値は95kOf
・cm/ cm 2であり、強度、剛性、耐衝撃性に優
れるものであった。
第1表 第2表 [発明の効果] この発明のFRTP板は、溶融粘度が1000〜150
00ポイズである熱可塑性樹脂と、二次元平面内におい
て無作為な方向に配置された、−方向に引き揃えられた
補強繊維からなる短冊状片とを複合してなり、上記短冊
状片は、 (a)  厚みが0.2mm以下であり、(b)  補
強繊維の方向に対して直交する方向にお【プる長ざが2
〜25mmであり、(c)  補強繊維の方向における
長さが5〜30mmでおり、 (d)  (補強繊維の方向に対して直交する方向にお
【プる長さ/補強繊維の方向にあける長さ)が0.15
〜1.5であり、 かつ、面内において疑似等方性であるものであるから、
補強繊維の分イFがより一様であるばかりか賦型性に優
れ、また、等方性が優れていて、実施例にも示したよう
に、強度、弾性率、耐衝撃性等の諸特性に優れたFRT
P製品を1qることができるようになる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 溶融粘度が1000〜15000ポイズである熱可塑性
    樹脂と、二次元平面内において無作為な方向に配置され
    た、一方向に引き揃えられた補強繊維からなる短冊状片
    とを複合してなる板であって、上記短冊状片は、 (a)厚みが0.2mm以下であり、 (b)補強繊維の方向に対して直交する方向における長
    さが2〜25mmであり、 (c)補強繊維の方向における長さが5〜30mmであ
    り、 (d)(補強繊維の方向に対して直交する方向における
    長さ/補強繊維の方向におけ る長さ)が0.15〜1.5であり、 かつ、面内において疑似等方性であることを特徴とする
    、熱可塑性樹脂と補強繊維との複合板。
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